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我国在热带西太平洋前沿研究取得重大进展

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-04-23 编辑:生活语录

作者:廖洋,徐俊玲资料来源:中国科学新闻,发布时间:2019/1/1 9:44:02

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中国热带西太平洋前沿研究的重大进展

①南海综合调查航次照片(2017年7月),左7第一行是首席科学家孙松

②“科学”号

③“发现”号遥控潜水器

■本报记者廖洋实习生徐俊玲

“建设强大的海洋力量,我一直有这样一个信念 “2018年6月,习近平总书记在青岛考察期间强调

中国科学院海洋研究所是中国第一个专门从事海洋科学研究的国家机构,始终以习近平总书记的“三个方向”要求为指导,不断深化科技体制改革,着眼于建设“海洋强国”的国家战略需要,解决自主创新的核心关键问题,引领中国海洋科技创新实现跨越式发展

面对世界科技前沿,中国科学院海洋研究所历史上确立了中国在西太平洋前沿研究中的国际地位。 面对国家的重大需求,中国近海至邻近海域最大的国际科学观测网络已经建成,世界上第一个具有实时传输能力的海底观测阵列已经建成。我们成功构建了国际一流、影响深远的海洋勘探体系,引领中国海洋勘探能力实现跨越式发展。

五年,时间凝结成珍珠 1,000多名科研人员,35次远海航行和113次离岸航行,航程超过330,000海里,“发现号”遥控潜水器进行了210多次潜水,从海山和热液/冷泉地区获得了近600种巨型和大型生物样本,增加了127TB的海洋科学数据,发表了1,198篇科学引文索引论文.《自然》杂志报道,“六百年前,中国人郑和率领一支庞大的船队横渡太平洋,进行了七次航行,增强了中国的影响力。” 今天,中国重返太平洋,观测数据在改进气候预测模型、研究东南亚季风和全球气候方面发挥了不可估量的作用。"

在过去的五年里,以中国科学院海洋研究所研究员孙松为首席科学家的科研团队,一直在自主开发的大型国家级重型船“科学号”上进行西太平洋的海洋耕耘和探索,并取得了一项又一项的国际领先成就,填补了中国深海科学研究中一项又一项的科研空白空怀特。

中国科学院设立了一个特殊的战略试点项目“进一步了解和管理海洋”,以建设一个强大的海洋国家。我们必须进一步关心海洋,了解海洋,管理海洋,加快海洋科技创新的步伐

2010年,国务院第105次常务会议批准中国科学院独立组织和前瞻性部署国家重大科技任务,整合中国科学院优势,整合院外相关力量,跨学科、跨领域开展重大科技任务。 从此,中国科学院战略试点科技项目诞生了 按照习近平总书记向中国科学院提出的“三个方向、四个率先”的要求,实现中国科学院的“第一个行动”计划已经成为一个重要的起点。

中科院的战略性科技试点项目分为三类:一类重点关注国家突出和引领示范的需要,突破战略性高技术和重大公益性的关键核心科技问题,促进国家科技和产业变革,服务经济和社会的可持续发展;乙级定位面向世界科技前沿,把握科技革命中可能出现的新方向和新趋势,用原有的科技前沿成果占领未来科技的制高点。丙类试点项目以关键核心技术为重点,旨在解决“瓶颈”问题,实施关键核心技术,从根本上改变我国受相关领域和行业人员制约的被动局面。

2013年,由中国科学院海洋学研究所承担的海洋战略试点项目“热带西太平洋系统的物质和能源交换及其影响”(类别一),成为中国科学院早期启动的十大项目之一。 当时,中国科学院海洋研究所所长孙松担任特别首席科学家。

那么,这个兼具“战略”和“试点”功能的海洋项目是做什么的呢?“在特殊应用的过程中,我们面临着这个非常重要的问题,这不仅符合国际前沿,也符合国家的需要。 在选择战略试点项目时,除了明确目标和任务外,一个非常重要的考虑是我们是否具备相关的基础和能力 ”孙松告诉《中国科学报》

根据联合国、主要海洋相关国家和国际组织的海洋科学发展报告,当今海洋科学技术发展的热点主要集中在健康海洋、深海观测、技术设备研发以及相关海洋大数据和信息系统建设上。

为此,孙松回顾,海洋战略试点项目“热带西太平洋系统的物质和能源交流及其影响”的主要任务被确定为针对海洋领域的国际前沿问题。以认识和管理海洋的国家的主要需求为重点,以热带西太平洋为重点,考虑到东印度洋和印度尼西亚的通流区域,开展了海气相互作用、海洋环境安全和生态系统演变、深海极端环境和生命、面向科学需求的研究和开发急需的海洋勘探和研究设备等方面的综合研究,以提高中国整体的海洋勘探和研究能力

作为甲级战略试点项目,“热带西太平洋系统物质和能源交流及其影响”在过去五年的成功实施,揭开了中国“海洋强国”战略的崭新篇章

世界上第一次打破潜在标记数据

长期稳定实时传输的海洋观测问题 例如,潜艇报价降低后能否撤回?你能得到数据吗?非常自豪的是,在西太平洋,我们发射的潜艇目标深达6公里。只找到了一组潜艇目标。其余全部成功恢复,获得了一系列有价值的观测数据。 中国科学院海洋研究所所长王凡负责西太平洋深海海底网络的建设,他说

据了解,西太平洋是国际合作调查研究的热点之一。 西太平洋暖池和西部边界流是影响中国近海生态系统稳定性和演化趋势的重要驱动力。 西北太平洋环流对于掌握全球气候变化动态和提高中国的气候预测能力非常重要 此外,它还有助于分析大规模生态系统变化和生态灾害问题,加深对近海生态系统演化规律的理解,从而完善近海生态系统动力学理论

当谈到项目开始时所面临的挑战时,王凡说,“能否实时获得数据是项目的关键,也是一个世界性的问题。” 世界上许多专家都进行了探索,经过不懈的努力,我们的团队终于取得了成功。 "

就主流系统和西太平洋暖池的变化机制及其气候效应而言,该项目已形成中国西太平洋印度尼西亚海科学观测网,由30套深海潜水器组成,运行稳定。这是世界上首次解决潜水器数据长期稳定实时传输的海洋观测问题,实现每小时10多套潜水器深海3000米数据的网络化实时传输,成为第一个具有实时传输功能的潜水器观测网络。 目前,已成功获得最深观测深度为5300米、连续4-5年的温度、盐度和海流数据。

根据观测网的综合资料,对西部边界流和暖池核心区地下环流、赤道西太平洋中深环流、印度尼西亚通流的结构特征和多时间尺度变化规律有了新的认识;发现向上传播的内潮波和地形起伏在深海和上层海洋物质之间的能量交换中起着重要作用。揭示了ENSO预报的前兆因子,如南太平洋热点地区的地面流场、南太平洋高盐度热带水的上升流强度和位置以及印度洋偶极子的“海洋通道”。

此外,项目组还建立了一个报告印度洋良好温度、盐分和声音环境的系统。通过改进物理参数化方案和同化技术,初步建立了准全球-区域多嵌套海气耦合预报系统,达到了国际先进水平。

“通过科研船的综合三维观测,构建了从中国近海到西太平洋再到东印度洋的最大、最强的观测和探测系统,实现了准同步实时观测。 迄今为止,世界上还没有做到这一点。中国有!”孙松兴奋地宣布

通过一系列的探测和观测,项目组成功破解了全球变化的“热量散失”之谜,发现了东亚夏季气候预测的新影响因素,揭示了暖池核心区地下和中间环流结构的变化规律,逐步优化了中国具有独立产权的中间ENSO预测模型,为国际社会提供实时预测 海洋学研究所的ENSO模式也是中国在世界上第一个联合测量模式。

加深“黑潮暖流”

Promoting Sustainable Development of Ocean

黑潮是位于北太平洋副热带环流系统中的西部边界流,它能把来自太平洋的高温高盐度海水带到广阔的近海海域,从而对近海水团结构、环流模式和生物群产生巨大影响。

长期以来,国内外都十分重视黑潮的调查研究,对黑潮主要海流系统和延伸体的观测取得了重要进展和认识。 然而,这些研究对黑潮对中国近海输入的路径和流量以及对中国近海生态环境的影响仍知之甚少。 特别是黑潮入侵东海的方式和模式及其变化规律,还没有统一的认识和理论基础。海洋生物元素的输运模式、时间空特征、控制机制及其对近海生态系统变化的影响等突出的科学问题亟待解决。

项目组在中国近海和邻近海洋组织进行了30次综合航行,包括黑潮主区、黄海和东海的9次航行、南海东北部的8次航行和渤海的13次航行。共分发了35套潜水器和2套浮标,成功回收了30套潜水器。基本地图集的完整编制;建立了一个高精度的环流数值模型,可以准确模拟黑潮对近海分支的入侵和变化。获得了黑潮与东海陆架水的交换通量及其年际变化特征。提出地形β螺旋理论来解释黑潮入侵的形成和变化机制。黑潮入侵东海的路径被精细描绘,通量被估计。

项目组区分长江冲淡水和黑潮入侵在长江口邻近水域赤潮形成和演替中的不同作用,分析和预测该水域赤潮灾害的演变趋势 根据长期调查结果和海洋模型,分析了水母暴发与环境因素的关系。

项目团队将“健康海洋与可持续发展研究”作为其重要的研究方向和目标 有关离岸可持续发展等问题的战略咨询报告已陆续收到国家相关部门的回复。 “在青岛举行的2018年上海合作组织峰会上,我们向全国提交的绿色潮汐综合防治报告获得通过并付诸实施。几个省联合起来防治绿潮,取得了很好的效果。 ”孙松说

据了解,该项目团队还与澳大利亚学者合作开发了一个近海生态系统评估方法框架。在明确近海生态系统健康定义和指标体系的基础上,项目组完成了近海生态系统健康评价模型框架的构建。

项目组改进了改性粘土防治有害赤潮的理论模型,改进了技术方案,并广泛推广应用。 今年,海洋学研究所的研究员俞志明出国,用可有效控制赤潮的改性粘土专利技术、产品和设备为海外服务。

项目组对典型海洋牧场环境和资源进行调查监测,搭建牧场环境和资源监测平台,进行预警和预测

打破国际深海技术封锁

构建中国深海系统勘探与技术体系

2013年海洋专项项目启动时,国家重大科技基础设施“海洋科学综合研究船”项目,“科学”刚刚于2012年12月底投入使用,“发现”水下机器人于2014年3月投入使用。 深海勘探负责人、现任自然资源部第一海洋研究所所长李铁刚表示,孙松已将项目团队的目标定为“走下去、看得清楚、测量准确、占用、扩大和负担得起”的深海勘探能力建设,这在深海系统勘探和技术体系建设方面迈出了关键一步

项目组成功构建了“船基-潜艇原位”一体化的国际先进深海系统探测技术体系,实现了从“室内模拟实验→海洋移动实验室→深海原位实验室”的跨越

在过去五年中,项目组完成了12次深海综合科学考察航行,获得了9.2Tb的综合地质调查数据、水文流场数据和近海底理化参数数据,收集了表层/浅层岩石、沉积物样品、海水和生物样品,包括500多份沉积物样品、4吨岩石样品和5000多份深海大型生物样品。 深海勘探项目主任、中国科学院海洋研究所办公室主任、副主任李朝伦向记者介绍了深海勘探专项取得的重要成果。

通过海洋试点项目的实施,中国率先建立了从宏观到微观、从航行到定点、从探测到采样、从梯度到原位的影响深远的海洋勘探和作业技术体系。中国建立了迄今为止样本量最大、物种数量最多的大型深海生物样本库,实现了样本共享。 深海环境探测和采样能力达到国际先进水平,已广泛应用于西太平洋深海极端环境探测。

编制了一系列高分辨率的雅浦山区地形地貌图集(总体1:提出了俯冲带发生大地震的新机制和碳酸盐岩浆向碱性玄武岩转化的新模式。揭示了雅浦海山地区的地壳精细结构,完善了其动态演化模型。

发现深海大型生物1个新科、1个新亚科、5个新属、51个新种;系统描述了南海站西南冷泉生态系统的基本结构和深海营养食物网的结构。揭示了深海细菌适应低温环境的独特调节机制。揭示水热柱的热通量和质量通量,建立水热柱动态过程的物理模型;已发现130多种具有生物活性的新结构化合物(包括3种先导化合物),揭示了深海微生物的非酶二聚化、异构化和环化等特殊生物合成机制,实现了各种手性化合物的酶促拆分。

对此,孙松表示:“西太平洋已经进行了大规模调查,就规模和强度而言,这是世界上规模最大、前所未有的。” 可以说,这个专项是一个重大的科学项目,充分发挥了其战略主导作用,科学问题已经全面投入运行。 “

深海探测设备的研究与开发

引领深海技术设备的跨越式发展

在过去的五年中,项目组完成了10个水下滑翔机系统、1个长期剖面观测AUV系统、1个深海热液探测AUV系统和1份关于10,000米载人潜水器开发的科学需求分析报告。完成2套船上拖曳式光纤温度和深度剖面连续测量系统、1套深海通量和混合观测系统、1套深海生态过程长期定点观测系统和1套深海科学遥控潜水器系统。 中国科学院沈阳自动化研究所副所长、特种设备研发负责人李硕向记者介绍了设备的研发情况。

此外,还完成了1套基于深海遥控潜水器平台的拉曼光谱原位定量检测系统、1套海洋生物光学剖面测量系统、2套深水可视化可控超长底质采样系统、2套高通量深海海水采样分级过滤系统、6套深海极端环境下的高精度温度链及其应用系统

在海洋探测设备研发方面,项目组开展了多项综合性研究,总计研制12种类型33台(套)深海装备,装备涉及自主式观测系统、连续观测作业系统、传感器与采样系统等多个领域,发布了长期剖面观测型AUV系统、深海热液探测AUV系统、拉曼光谱原位定量探测系统等多个国际领先仪器。

人才队伍建设

——青年海洋科研人员茁壮成长

专项的实施,是中国科学院海洋研究所从近海走向深海的历史性转折,完成了深海综合探测装备体系以及技术与支撑体系的建立,其中的一大亮点,就是青年科学家队伍的成长,建立了以青年科学家为主的科技队伍。

回忆起外海作业的经历,孙松对由青年科学家构成的深海探测技术与支撑队伍的成长感触颇深。“受到海上突发事件的干扰,项目组要把深海1800米的6套装备进行紧急回收,原计划进行12小时。即使不能完成任务,到时间也必须撤离。在受到外界干扰的情况下,晚上作业,5个小时全部收回,充分说明了我们的海上作业能力,更为重要的是培养了一支优秀的青年科学家队伍。他们是海上作业的主力军、高端文章的主要作者,是落实我国海洋强国战略、‘一带一路’国际合作中的新鲜血液和生力军。”

海洋专项在大洋观测方面面临着很大的挑战。在深层环流探测中,虽然解决了预测因子的问题,但潜标放下去以后,可能有去无回,无法获得数据。但在科研人员的努力下,在西太平洋最深达到六千米的位置成功布放潜标且全部成功收回。专项对西太平洋的观测规模是世界上最大的,技术是最先进的,起到了引领作用。最关键的是,通过这样一个行动,锻炼了一批专业化的团队。这支队伍由青年人组成,在工作效率和运行安全上,堪称世界一流。

记者了解到,专项在人才培养上取得了一系列重要成果,涌现出一批优秀青年人才:2人入选国家百千万人才工程突出贡献中青年专家,4人获得国家自然科学基金委“杰出青年基金”项目资助,6人获得国家自然科学基金委“优秀青年基金”项目资助等,此外还培养硕博研究生及博士后累计900余名,人才培养方面收获颇丰。

五年的耕海探洋建立了一支成熟可靠、年轻有为的专业科考团队,航次首席队长平均年龄34岁,科考队员平均年龄29岁。

海洋科学家的情怀

——“我们实现了一个梦想”

走向深海、建立国际一流的探测与研究平台、取得国际一流的科研成果一直是科学家的梦想。随着海洋专项的实施,一个个梦想正在逐步变成现实。

这群可爱的科学家们有着自己的情怀和梦想。

“我们实现了科学家的一个梦想。过去是把样品取上来,但是取上来以后,各种特征全部改变了。通过我们的技术创新,现在我们可以在海底进行观测,在水下直接进行实验、探测,而且是长期的观测,关键是水下平台与海上平台进行有机结合,形成一套完整的体系。”孙松感慨地介绍。

海洋专项自主研发了多台深海装备,首次实现对我国南海冷泉区综合协同调查。通过“探索 4500”AUV 在南海冷泉区开展大面积海底地形地貌精细探测和海底光学调查,获取了近海底水体探测数据,锁定一块海底冷泉疑似区;利用“发现”号ROV 进行海底高清摄像和采样作业,为研究影响冷泉区化能生态系统环境要素和生物分布的机制提供了重要资料;在确定科学家感兴趣的观测点后,操控“发 现”号ROV 将“冷泉”着陆器精准调整到海底指定位置,对海底冷泉生物群落和环境进行为期三个月的连续观测,分析环境变化对冷泉区生物迁移、生长率和繁殖等关键过程的影响。

专项实施中,还同步实现了多台探测设备的协同探测与作业及交汇拍摄。在“科学”号科考船和“发现”号ROV 的精准协同配合下,科学家第一次看到了AUV 在深度超过1000米近海底的工作状态,在我国首次实现了两种不同类型的水下机器人近距离交汇拍摄。

从无到有 跨越式发展

——科研成果受到国内外瞩目

海洋专项从实施开始,就一直被国际目光所关注。

专项基于国家重大科技基础设施“科学”号海洋综合考察船,集成4500米水下缆控潜器(ROV)等多套先进仪器设备,构建了国际最先进的深海环境综合探测研究平台, 《自然》 杂志两次报道认为“中国已经完全具备开展深海研究能力”,国际学术界对此予以广泛关注。海洋专项的实施,使我国的深海研究真正实现了跨越式发展,从无到有,一跃进入国际先进行列。

专项任务承担者、中国科学院大气物理研究所所长朱江带领团队利用近期较为丰富的海洋观测去评估重构的历史热含量变率在不同海盆和不同时间尺度的准确性,首次量化了由于历史观测不足导致的估计误差,提出了一个最新、更准确的全球上层2000米历史海洋热含量的重构,反映了更快的全球变暖速率,美国 《华盛顿邮报》 、英国 《卫报》 等相继对该研究成果做出报道……

其实,从2014年开始,专项就已进行国际评估。2017年,项目组还把国际上重要的海洋研究机构的学术委员会领导人,包括国际大的海洋科学组织的领导人邀请到委员会当中。项目实施后,中国海洋科研在国际合作中的地位也发生了很大的改变,与斯里兰卡在太平洋、印度洋的观测上建立了长期的合作关系;与印度尼西亚在海峡通道、海洋资源环境方面进行了合作;与澳大利亚建立了海洋生态系统健康联合评估中心,得到科技部的支持。西太平洋海气相互作用研究计划成为中国人提出并起到引领作用的国际合作计划。

“这个项目是我国海洋项目一个里程碑,并且是以地球科学的系统理论和理念来研究。”中国地质大学(武汉)金振民院士认为,专项中,西太平洋观察体系、装备体系、深海技术探测体系的建立,为我国向海洋大国、海洋强国迈进打下了基础。专项培育了一支深海研究队伍,奠定了我国在西太平洋研究的国际地位。

中国矿业大学(北京)何满潮院士坦言,自己见证了改革开放以来科技高速发展的40年,“科学院战略性先导专项,是推进我们国家科学和技术进入到前沿领域、领跑或者领先这个领域真正的动力。”

专项多次获得重要嘉奖。2014年,承载专项任务的“科学”号深海科学考察团队被CCTV和七大部委联合评选为“科技创新团队”,是与探月、天河一起获奖的三个创新团队之一。

近五年,先后荣获中国海洋工程科学技术奖特等奖1项,中国海洋工程科学技术奖一等奖2项,中科院杰出科技成就奖2项、中科院科技促进发展奖2项、中科院国际合作奖1项、海洋科学技术奖一等奖4项等,填补了中国科学院杰出科技成就奖在海洋科研领域上的空白。

先导引领——中科院青岛科教园

海洋大科学研究中心建立

海洋先导专项验收组组长、中国科学院副秘书长汪克强指出,专项的实施,为建设中国科学院海洋大科学研究中心奠定了基础,为青岛海洋科学与技术试点国家实验室建设作出了贡献。

“对于海洋复杂系统的认识,不是这一个专项,不是这五年时间就能解决的,要系统地总结专项研究的结果,把它产生的成果应用于国民经济、国防安全方面。尽管这个专项结束了,但是后续的整合、集成以及这方面的研究,还需要进一步支持、强化,或者深化。” 中科院生态环境研究中心傅伯杰院士说。

专项将科学与技术有机结合,率先开展了科学目标驱动下的设备研发,并且取得重要突破。科学与经济社会相结合,在“用得上、有影响,海洋生物资源可持续利用、海洋环境安全”等方面,走在了前面。

海洋战略先导专项的实施,带动了一大批科研项目的立项和争取,并为中国科学院的后续部署创造了条件。2016年1月,中国科学院和青岛市签订合作协议,共建科教融合基地——中国科学院青岛科教园。

中国科学院以深入实施“率先行动”计划为契机,服务国家和区域创新体系建设,在海洋领域打破海陆界限、部门界限和区域界限,由海洋研究所牵头,联合院内其他12家研究所,在山东组建中科院海洋大科学研究中心。

“科教园把科学和教育相结合,培养特殊的人才,最关键的是把大科学工程设施、重要海洋设备、基础设施进行共享,推动各研究所之间的合作。”科教园发展中心主任孙松说。

《中国科学报》 (2019-01-01 第6版 专题)

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